§ 32. Термоэлементы

Термоэлементы непосредственно преобразуют тепловую энергию в электрическую.
На рис. 29 изображены две проволочки 1 и 2, изготовленные из различных металлов и спаянные в точках 3 и 4. Если температура в местах спаев одинакова, то тока в таком замкнутом контуре возникать не будет, потому что в этих спаянных местах создаются равные и противоположные э. д. с. Но если один из спаев нагреть так, чтобы температура его стала выше температуры второго спая, то равенство э. д. с. нарушится и в цепи появится электрический ток.

Пара проводников из различных металлов называется термопарой, а возникающая в ней э. д. с. — термоэлектродвижущей силой.
Положим, что проводник 1 изготовлен из меди, а проводник 2 — из висмута. Если нагреть один из спаев, например 4, то потенциал висмутовой проволоки окажется выше потенциала медной проволоки и поэтому электрический ток будет протекать от висмута к более холодному спаю 3, а затем по меди к более теплому спаю 4, как будто бы висмут стал положительным, а медь — отрицательным полюсом гальванического элемента. Если спай 4 охладить, оставляя другой спай 3 при прежней температуре, то также возникнет электрический ток, но обратного направления. При замыкании термопар на некоторое сопротивление в замкнутой цепи появится электрический ток.
Величина термо - э. д. с. и, следовательно, тока, протекающего в термопаре, зависит от выбранных металлов для проводников 1 и 2 и от разности температур спая и холодных концов термопары.
Опытным путем установлено, что при малой разности температур термо - э. д. с. пропорциональна разности температур мест спаев. При большой разности температур эта зависимость нарушается. Пропорциональность между термо - э. д. с. и разностью температуры (табл. 4) позволяет использовать термопару для измерения температур (в известных пределах).

Таблица 4

Термо - э. д. с. при разности температур спаев на 1° для термопар, составленных из свинца и металла или сплава для интервала температур 0 — 100°С

Примечание. Положительный знак термо - э.д.с. относится к тем металлам и сплавам, к которым течет ток через нагретый спай.

Пользуясь данными табл. 4, можно определить э. д.с. любой термопары, составленной из перечисленных веществ. Она определится разностью чисел, указанных в табл. 4 для выбранных двух веществ. Так, например, э. д. с. термопары, составленной из никеля и железа, при разности температур спаев в 1° равна:

+ 15 — (— 20,8) = 35,8 мкв = 0,0000358 в.

Если разность температур в местах спаев 100°, то э. д. с. равна:

0,0000358 · 100 = 0,00358 в,

поскольку при 100° существует пропорциональность между э. д. с. и разностью температур.
Термо - э. д. с. возникает также в том случае, если два различных вещества только соприкасаются и место соприкосновения подвергается нагреву.
Возникновение термо - э. д. с. возможно и тогда, когда какое-либо вещество нагревается неравномерно. Например, концы металлического стержня имеют различную температуру, тогда между ними появляется разность потенциалов или э. д. с., пропорциональная разности температур этих концов. Это объясняется тем, что кинетическая энергия электронов больше в том конце металлического стержня, температура которого выше.
Если конец стержня 1 (рис. 30) нагрет сильнее, чем конец 2, то кинетическая энергия электронов в конце стержня 1 будет больше, чем в конце стержня 2. Поэтому в стержне будет происходить уравнивание носителей зарядов и часть электронов с конца 1 перейдет к концу 2. Таким образом, на конце 1 образуется недостаток электронов, а на конце 2 — избыток электронов, благодаря чему конец 1 приобретает положительный потенциал, а конец 2 — отрицательный, т. е. между ними возникнет разность потенциалов. При увеличении разности температур между концами 1 и 2 возрастает число электронов, переходящих с одного конца на другой последовательно, увеличится э. д. с.

Если взять два проводника из различных металлов и соединить концы их проволочкой, то в месте соединения появится разность потенциалов, несмотря на то, что температура соединенных концов проводников одинакова. Термоэлементы используют в качестве источников электрической энергии малой мощности, например при измерении температуры, для питания радиоприемников и т. п.
В простейшем виде термоэлектрический генератор представляет собой батарею термопар, у которых одни концы спаев нагреваются, а вторые имеют достаточно низкую температуру.
В результате разности температур создается термо - э. д. с. и во внешней цепи протекает ток. Каждая термопара может состоять из двух разнородных проводников, двух разнородных полупроводников или из проводника и полупроводника.
Большая теплопроводность металлических термопар не позволяет создавать значительную разность температур спаев, а следовательно, не дает возможности получать термо - э. д. с. большой величины. Поэтому в термогенераторах используют полупроводниковые термопары, а иногда — термопары из проводника и полупроводника. Термо - э. д. с. пары полупроводников много больше термо - э. д. с. металлической пары.
В промышленных термоэлектрогенераторах основным элементом является полупроводниковая термопара с э. д. с. 1 мв на 1° С. Источником тепла для промышленных термоэлектрогенераторов служит керосиновая лампа, нагревающая внутреннюю поверхность теплопередатчика до 380° С, тогда как наружная его поверхность охлаждается до 70° С с помощью металлических ребер. Одни спаи термопар примыкают к внутренней, а другие — к наружной поверхности теплопередатчика, так что разность температур горячего и холодного спаев термопар достигает 310° С.